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                    變頻器在國內石油鉆機的應用

                    1 鉆井工藝簡介

                    鉆井過程分為起落井架,鉆進,泥漿循環,鉆具更換,下套管,測井等幾大工序。主要分為絞車,轉盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動器、電機和控制設備組成,用來起落井架,提升和下方鉆桿、套管。隨著井深的增加,鉆具越來越長,重量迅速加大,絞車的負載也越來越大。我國目前已有7000m深的油井,其鉆具近600t重。由于每轉進約9m就要提升下放鉆桿1次,因此絞車作業時間也隨著井深的增加而占整個作業時間的比例越來越大。為降低成本,希望在野外或海上的作業時間越短越好,這不僅要求絞車寧高速運行,平穩起停,以保證不損壞鉆井設備并提高井的質量,還要求驅動設備具有良好的動態特性。如果在內線井區作業,電源可與井區電網相連,下放鉆桿時電機工作在發電狀態,能量可回饋電網,節能效果顯著。

                    轉盤和絞車可共用同一套驅動系統和電機,鉆桿加長后,驅動部分切換到轉盤,由轉盤帶動鉆具旋轉,實施鉆進作業,司鉆工通過調節轉盤轉速和壓力來改變鉆進速度。轉盤正常工作時為正轉,處理卡鉆時需反轉以收回鉆頭,為防止鉆桿正轉時折斷或反轉時脫扣,要求電機輸出轉矩平穩,調節靈活且設定限幅值,同時電機的剎車部件也是必不可少的。

                    泥漿泵相當于整個鉆井設備的心臟,它所輸出的泥漿的作用類似于人體內的血液。泥漿從鉆桿內部自上而下注入,流過鉆頭后,再從鉆桿和井壁的縫隙自下而上流出,在這一過程中,泥漿協助鉆頭沖擊地殼,冷卻鉆頭,帶出碎屑,而更重要的是通過在泥漿中滲入重晶石粉等物質可保持井下一定的壓力,以避免井噴,象血液在人體內循環,運送營養,帶走廢物。泥漿泵的壓力和沖數分別與驅動電機的輸出轉矩和速度成正比。

                    絞車負載示意圖如圖1所示。 

                     

                    2 系統配置

                    1998年我們為新疆石油管理局鉆井公司的可打3200m深度的一套鉆井設備配置了變頻器。所用產品為Siemens SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71電壓源型變頻器柜。

                    動力系統由3×800kW柴油發電機組構成,3臺機組并網于3相,600V/50Hz交流母線。

                    傳動部分由3×6SE7141整流柜(3×800kW)供電給公共直流{HotTag}母排,4×6SE7135逆變柜(4×400kW)和2×6SE7136逆變柜(2×450kW)共6臺逆變柜接到直流母排上,每臺逆變柜各驅動1臺400kW的電機。4臺電機2臺1組共驅動2臺泥漿泵,另2臺電機為絞車和轉盤共用,詳見圖2。

                     

                    1)電源采用柴油發電機供電,要求有足夠的電壓穩定度和頻率穩定度。柴油發電機的額定容量一般小于傳動裝置容量的5 ~ 10倍,屬于“小電網”供電,換相缺口大。SIMOVERT MASTERDRIVES 6SE71變頻器可保持2 ~ 3s的主回路電壓等待時間,以克服柴油機瞬時掉電和換相缺口。

                    2)根據多電機傳動情況,采用了公共直流母排方案,這樣如果有1個傳動裝置工作于發電狀態,可通過中間回路進行能量交換,僅使用1個總制動電阻。

                    3)在直流母排上配備自振蕩二極管,以免1臺逆變器上的直流側熔斷器斷開或回饋能量時在母排上產生過電壓而影響其它逆變器。此外,逆變器內部軟件中還有Vdmax調節器以避免直流母排因過電壓跳閘。

                    4)同單臺變頻器傳動相比,安裝尺寸較小,因為網側元件,如熔斷器、接觸器、開關及網側進線電抗器等可以集中使用1次。并在機械結構上采取了適應現場惡劣環境的措施。

                    5)所選逆變器功率相同并可設置4套給定數組和電機數組,在故障時可方便地互相切換,互為備用。隨著絞車/轉盤的切換,可實現電流限幅和整套控制數據的自動轉換。

                    6)同一設備的2個變頻器之間采用光纖快速(11Mbit/s)通訊和雙速度環方案。在無編碼器反饋條件下安全得到有力保證,又使驅動1臺設備的2臺電機的負載電流靜態偏差小于1%,遠遠優于鉆機國家標準規定的10%,控制方案詳見圖3。

                     

                    7)如鉆機可接入大電網,則可考慮經電能回饋電網,但要事先確認電網的穩定性,以免逆變橋在電網波動時過流。

                    鉆機采用絞車,轉盤聯合驅動,泥漿泵獨立驅動的形式。鉆機主機通過二檔分動直角箱,將動力分成兩路,一路通過鏈條驅動滾筒工作;另一路驅動轉盤工作。泥漿泵組由交流電機通過皮帶傳動驅動泥漿泵工作。絞車由滾筒軸,絞車架,機械剎車,電磁渦流輔助剎車,鏈條箱,轉盤驅動軸,二檔直角分動箱,交流電動機,潤滑系統等組成。鉆井平臺上配有司鉆臺,所有控制都可在司鉆臺完成,并設有麥克風和故障警笛。

                     

                    3 變頻器

                    6SE71變頻柜內部配備SIEMENS全數字工程型變頻器,整流部分采用晶閘管,逆變器采用了IGBT功率元件,直流母排上由電容作為儲能元件。變頻各項功能可隨軟件靈活設置,實現對同步或異步電機的控制,控制方式也包括V/f,有無測速機的磁場定向控制等。根據工藝要求,選用無速度傳感器的矢量控制方案,拖動異步電機,精度可達到0.1f轉差,速度響應時間20ms,轉矩響應時間可達到5ms,確保準確快速的調節,同時簡化系統,增加可靠性。 

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